Ảnh hưởng của nhiệt độ đế lên tính chất mang siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7

Lí do chọn đề tài Sự phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn và khả năng ứng dụng rộng rãi tính chất này trong nhiều lĩnh vực là một bước đánh dấu đặc biệt sự phát triển của khoa học công nghệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ HÈ

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾ LÊN TÍNH CHẤT MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO

YBa2Cu3O7-δ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ HÈ

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾ LÊN TÍNH CHẤT MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO

YBa2Cu3O7-δ

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học:TS Trần Hải Đức

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thiện khóa luận tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ của thầy hướng dẫn và sự ủng hộ của các thầy cô, các bạn trong khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy hướng dẫn: TS Trần Hải Đức, người thầy đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian tôi làm khoá luận Tôi cũng xin gửi làm ơn chân thành tới bố mẹ và những người thân trong gia đình Những người luôn bên cạnh và động viên tôi vượt qua những khó khăn trong cuộc sống cũng như trong học tập

Hà Nội, tháng 5 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hè

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là bài viết của tôi Các số liệu nêu trong khóa luận tốt nghiệp là trung thực

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ trong khóa luận này đã được cảm

ơn và các thông tin trích dẫn đều được ghi rõ nguồn gốc

Hà Nội, tháng 5 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hè

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO YBa 2 Cu 3 O 7- 3

1.1 Sơ lược về vật liệu siêu dẫn và ứng dụng 3

1.2 Các thông số tới hạn của vật liệu siêu dẫn 8

1.2.1 Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha 8

1.2.2 Từ trường tới hạn 9

1.2.3 Mật độ dòng tới hạn 11

1.2.4 Trạng thái hỗn hợp và tâm xoáy từ 12

1.3 Cấu trúc tinh thể của vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7- 13

1.4 Mục đích nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao 14

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 15

2.1 Chế tạo mẫu 15

2.1.1 Chế tạo mẫu gốm (bia) YBCO 15

2.1.2 Chế tạo màng YBCO 18

2.2 Các phép đo tính chất cấu trúc, tính chất siêu dẫn 22

2.2.1 Tính chất cấu trúc 22

2.2.2 Tính chất siêu dẫn 25

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Tính chất cấu trúc 27

3.1.1 Kết quả đo nhiễu xạ tia X 27

3.1.2 Kết quả đo hình thái bề mặt mẫu 29

3.2 Tính chất siêu dẫn 30

KẾT LUẬN 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ

Bảng 1.1 Một số chất siêu dẫn điển hình 4

Hình 1.1 Mẫu vật liệu siêu dẫn YBCO nâng các nam châm 5

với khối lượng khác nhau 5

Hình 1.2 Cấu trúc của băng siêu dẫn 7

Hình 1.3 Đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ của Hg 9

Hình 1.4 (a), (b) Đồ thị từ trường tới hạn phụ thuộc nhiệt độ, và (c), (d) độ từ hóa phụ thuộc từ trường ngoài của chất siêu dẫn loại I và loại II 10

Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể của một ô mạng YBCO 13

Hình 2.1 Sơ đồ hệ lắng đọng laze xung 18

Hình 2.2 Các giai đoạn chính của quá trình lắng đọng laze xung 20

Hình 2.3 Sự tán xạ của chùm tia X trên các mặt phẳng tinh thể 23

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí Vôn kế và Ampe kế trong phép đo 4 mũi dò 25

Hình 2.5 Sơ đồ phân bố dòng điện, điện trở thành phần trong mạch điện phép đo 4 mũi dò 25

Hình 3.1 Đồ thị nhiễu xạ tia X của mẫu YBa2Cu3O7-δ chế tạo tại các nhiệt độ (a) 720oC, (b) 740oC, (c) 760oC, (d) 780oC, (e) 800oC 27

Hình 3.2 Hình ảnh SEM của mẫu YBCO chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau 29 Hình 3.3 Đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ của màng YBCO chế tạo ở các nhiệt độ (a) 740oC, (b) 780oC, (c) 800oC và (d) bảng số liệu so sánh 31

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Sự phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn và khả năng ứng dụng rộng rãi tính chất này trong nhiều lĩnh vực là một bước đánh dấu đặc biệt sự phát triển của khoa học công nghệ đã mở ra một hướng nghiên cứu mới thu hút nhiều sự quan tâm của các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước

Trước thập kỉ 1980 siêu dẫn nhiệt độ thấp chỉ được tìm thấy trên các kim loại và hợp kim, được làm lạnh đến nhiệt độ thấp hơn 23K và đã được lý thuyết BCS giải thích một cách định lượng Cho đến năm 1986, Georg Bednorz và Alex Muller đã phát hiện ra một vật liệu mới: khi cấy các nguyên

tố lạ vào oxít đồng - bari thì oxít đồng -bari trở thành vật liệu siêu dẫn có cấu trúc tương tự với nhiệt độ chuyển pha cao hơn, thậm chí cao hơn cả nhiệt độ nitơ lỏng là 77K Mở ra khả năng cho những ứng dụng mới Chất siêu dẫn (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3O3 (BSCCO) được gọi là siêu dẫn nhiệt độ cao (high temperature superconductors - HTS) thế hệ thứ nhất đã được chế tạo Tuy

nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy mật độ dòng tới hạn (J c) của BSCCO khá thấp dẫn đến phạm vi ứng dụng chưa được rộng rãi - chỉ xung quanh vùng nhiệt độ 20K Sự phát triển HTS thế hệ thứ 2 và YBa2Cu3O7- (YBCO) hay (RE) Ba2Cu3O7-  (REBCO, RE là viết tắt của một nguyên tố đất hiếm) dự kiến

sẽ khắc phục được những yếu điểm của dây BSCCO thế hệ thứ nhất, do

YBCO và REBCO có J c cao ở nhiệt độ nitơ lỏng 77K ngay cả khi có từ trường mạnh Do đó YBCO và REBCO có đóng góp to lớn trong sản xuất ứng dụng thương mại và công nghiệp, mở ra bước tiến đáng kể trong công nghiệp điện, điện tử

Bước đầu làm quen với việc nghiên cứu, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu sự “Ảnh hưởng của nhiệt độ đế lên tính chất màng siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ” làm khóa luận tốt nghiệp của mình

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên tính chất của màng

siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên tính chất của màng

siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ

4 Đối tượng nghiên cứu

- Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng chủ đạo là thực nghiệm

- Chế tạo mẫu gốm YBa2Cu3O7-δ bằng phương pháp phản ứng pha rắn

- Chế tạo mẫu màng YBa2Cu3O7-δ bằng phương pháp phún xạ laze xung

6 Dự kiến đóng góp mới

- Tìm ra phương pháp chế tạo vật liệu YBa2Cu3O7-δ làm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

- Với việc nhận được kết quả mới, có tính hệ thống về một lĩnh vực

nghiên cứu cơ bản có định hướng ứng dụng thuộc chuyên ngành Khoa học Vật liệu Góp phần đẩy mạnh một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO YBa2Cu3O7-

1.1 Sơ lược về vật liệu siêu dẫn và ứng dụng

Việc phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn vào năm 1911đã mở ra một kỉ nguyên mới trong lịch sử vật lí Kể từ đó, hiện tượng này đã được các nhà khoa học đã nghiên cứu sâu và rộng để tìm ra các ứng dụng tiềm năng cho vật liệu

có điện trở bằng không dưới một nhiệt độ nhất định ứng dụng với quy mô lớn

Có thể nói việc hóa lỏng heli đã là tiền đề cho sự phát minh ra siêu dẫn Sau nhiều năm nghiên cứu, năm 1914 hiện tượng dòng điện phá vỡ trạng thái siêu dẫn được phát hiện và trong năm đó, Kamerlingh Onnes đã chế tạo được nam châm siêu dẫn Năm 1933, hai nhà khoa học Meissner và Ochsenfeld đã công bố rằng: chất siêu dẫn khi làm lạnh trong từ trường dưới nhiệt độ chuyển pha thì các đường cảm ứng từ bị đẩy ra ngoài Hiệu ứng này được mang tên là hiệu ứng Meissner

Trong suốt khoảng thời gian từ những năm 1911 đến 1985, các chất siêu dẫn được tìm ra đều có nhiệt độ chuyển pha không vượt quá 24K và chất lỏng He vẫn là môi trường duy nhất được dùng để nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn Các nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp đã được sử dụng trong nhiều thiết

bị đa dạng từ máy quét MRI đến Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) Tuy nhiên, vì các chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp, nên chúng cần được làm lạnh, đó không phải yêu cầu dễ dàng gì Các nhà khoa học tại LHC làm lạnh các hệ thống xuống nhiệt độ hoạt động 1,9K, lạnh hơn cả không gian vũ trụ bên ngoài Họ hoàn thành công việc kì công này bằng cách sử dụng He lỏng để làm lạnh từng bộ phận của cỗ máy LHC dài 27km, khiến việc bảo dưỡng công nghệ rất tốn kém và cực kì khó khăn, do vậy nên tính ứng dụng của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp là chưa cao Điều này đã đặt ra câu hỏi cho các nhà

khoa học là phải tìm kiếm ra một loại vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao hơn

Vào năm 1986, J.G Bednorz và K.A M ller (Thụy sỹ) đã tìm ra hiện tượng siêu dẫn có trong hợp chất gốm La-Ba-Cu-O với nhiệt độ chuyển pha nằm trong vùng nhiệt độ nitơ lỏng (77K) Khi sử dụng loại vật liệu siêu dẫn

có nhiệt độ chuyển pha như vậy, thì sẽ giúp chúng ta tiết kiệm được chi phí sản xuất vì nguyên liệu để tạo ra nitơ lỏng trong công nghiệp chủ yếu là không khí Với phát minh này J.G Bednorz và K.A M ller đã được nhận giải thưởng Nobel về vật lý năm 1987 Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn đã bắt đầu một hướng mới - đó là siêu dẫn nhiệt độ cao Sự phát minh ra siêu dẫn nhiệt

độ cao đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành vật lý siêu dẫn Nó đánh dấu

sự phát triển vượt bậc trong quá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ trong lĩnh vực siêu dẫn

Sau phát minh của J.B.bednorz và K.A.muller rất nhiều chất siêu dẫn mới được xuất hiện, rất nhiều chất siêu dẫn dạng hợp chất đã được tìm ra và hầu hết các chất này có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nằm trong vùng nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hóa lỏng của nitơ (77K), và được gọi chung là siêu dẫn nhiệt

biệt giữa các nguyên tử đồng và oxi tạo nên các mặt CuO2 và các chuỗi Cu trong cấu trúc tinh thể, là mạch nối cho những lý thuyết về cơ chế của các siêu dẫn nhiệt độ cao không chứa đồng Một nhà nghiên cứu về siêu dẫn đã phát biểu như sau: “ Siêu dẫn đã mở ra kỷ nguyên mới giống như Laser và bóng bán dẫn, nó có thể sản sinh ra toàn bộ một nền công nghiệp mới hoặc chí ít cũng là một khâu cơ bản của nhiều ngành công nghiệp hiện đại trên thế giới”[2]

Một trong những vật liệu siêu dẫn tiêu biểu được các nhà khoa học nghiên cứu sâu và rộng nhất phải kể đến đó là YBa2Cu3O7- (YBCO)

Hình 1.1 Mẫu vật liệu siêu dẫn YBCO nâng các nam châm

với khối lượng khác nhau

Bằng cách sử dụng các vật liệu HTS và vật liệu siêu dẫn nói chung, nó

có thể làm giảm kích thước của các thiết bị điện tử và cải thiện hiệu suất của

nó Do các thành phần thiết bị phi điện tử có kích thước nhỏ nên đòi hỏi các chất siêu dẫn phải được chế tạo dưới dạng màng siêu dẫn Một trong những phương pháp thành công nhất để sản xuất ra màng siêu dẫn là phương pháp lắng đọng laze xung (PLD) Phương pháp này dựa trên sự tương tác của chùm tia laze năng lượng cao chiếu vào một miếng gốm siêu dẫn khiến cho chất siêu dẫn ở bề mặt miếng gốm bốc bay lên Sau khi bốc bay lên thì các chất siêu dẫn này đọng lại trên một chất nền tạo thành màng mỏng mà ta gọi là màng siêu dẫn Phương pháp đơn giản này được áp dụng gần như cho tất cả các vật liệu, bao gồm cả chất siêu dẫn nhiệt độ cao như YBCO Bằng cách sử

dụng PLD, đã làm cho việc chế tạo màng mỏng YBCO đơn giản hơn và đặc biệt là dễ dàng thay đổi tính chất của chúng

Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao có rất nhiều ứng dụng Về nguyên tắc, khi dòng điện bắt đầu chạy trong một vòng siêu dẫn, gần như nó có thể chạy…mãi Cùng kích thước, chất siêu dẫn mang một lượng điện lớn hơn dây điện và dây cáp tiêu chuẩn Vì vậy thành phần siêu dẫn có thể nhỏ hơn nhiều

so với các chất hiện nay Chất siêu dẫn có một số đặc tính gần gũi với kĩ thuật nghe nhìn công nghệ cao và hơn nữa việc chuyển giao điện mà không mất điện áp (vì không có điện trở) là một trong những thuộc tính quan trọng nhất của HTS và nếu nó được sử dụng trong kỹ thuật điện thì điện năng chuyển giao sẽ được lưu trữ Điều quan trọng là chất siêu dẫn không biến điện năng thành nhiệt năng Việc này đồng nghĩa với một máy phát hoặc chip máy tính siêu dẫn có thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều so với hiện nay Ngày nay, hầu hết các dây điện đều có lõi được làm bằng đồng Các nhà khoa học đang tìm kiếm một loại cáp điện có thể thay thế dây đồng bằng một loại dây dẫn có mật

độ J c (mật độ dòng tới hạn) so sánh được với đồng, do đồng có điện trở lớn nên khi truyền tải điện năng đi xa thì sẽ gây ra hao phí năng lượng rất lớn

Chính điều này đã giải thích nguyên nhân tại sao phải cần đến HTS với J c cao

Và cụ thể ở đây là ta sử dụng vật liệu siêu dẫn YBCO

Hay với quy mô nhỏ hơn thì ứng dụng của các chất siêu dẫn là tạo ra băng siêu dẫn Thế hệ đầu tiên của băng siêu dẫn sử dụng chất siêu dẫn nhiệt

độ cao mang tên gọi là Silver - Sheathed Bi - Compound Tape Tại 77K thì băng này có thể tải dòng điện với cường độ là 110A và chiều dài của băng là hơn 1000m Từ đó việc thử nghiệm các ứng dụng thực tế của băng này trong các lĩnh vực khác nhau đã bắt đầu Sự phát triển của các thế hệ tiếp theo của băng siêu dẫn được tiến hành tại Nhật Bản, đến Hoa Kì và châu Âu Cấu trúc của băng này được thể hiện ở mặt cắt ngang trong hình 1.2, có 3 lớp ( chất nền hay còn gọi là đế được làm bằng kim loại, lớp oxit đệm, chất siêu dẫn)

Hình 1.2 Cấu trúc của băng siêu dẫn

Tính siêu dẫn tồn tại ở nhiều kim loại, hợp kim, hợp chất Tuy nhiên tính siêu dẫn tồn tại trong các chất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: áp suất, độ sạch của vật liệu, môi trường….Trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, tính siêu dẫn còn phụ thuộc vào quy trình công nghệ tạo mẫu, nhiệt độ nung Các khả năng ứng dụng tiềm tàng của các chất siêu dẫn là hết sức rộng rãi và quan trọng, đến mức nhiều nhà khoa học đã cho rằng, việc phát minh ra chất siêu dẫn có thể so sánh với việc phát minh ra năng lượng nguyên tử, việc chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn; thậm chí một số nhà khoa học còn so sánh với việc phát minh ra điện Các vật liệu siêu dẫn sẽ đưa đến sự thay đổi lớn lao về

kĩ thuật, công nghệ và có thể cả trong kinh tế và đời sống xã hội

1.2 Các thông số tới hạn của vật liệu siêu dẫn

1.2.1 Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha

Năm 1911, Kamerlingh Onnes đã khảo sát điện trở của những kim loại khác nhau trong vùng nhiệt độ He[1,2] Khi nghiên cứu điện trở của thủy ngân (Hg) trong sự phụ thuộc nhiệt độ, ông đã quan sát được rằng: điện trở của Hg ở trạng thái rắn trước điểm nóng chảy cỡ 234K (-39oC) là 39,7Ω Trong trạng thái lỏng tại 0oC (273K) có giá trị là 172,7Ω , tại gần 4K có giá trị là 8.10-2Ω và tại T ~ 3K có giá nhỏ hơn 3.10-6Ω Như vậy có thể coi là ở

nhiệt độ T < 4,0K, điện trở của Hg biến mất (hoặc xắp xỉ bằng không) thể

hiện trên hình 1.3

Ở nhiệt độ xác định, nếu điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa

là chất đó có thể cho phép dòng điên chạy qua trong trạng thái không có điện trở, trạng thái đó được gọi là trạng thái siêu dẫn Chất có biểu hiện trạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn

Nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất được gọi là nhiệt độ tới

hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là T C) Có thể hiểu rằng nhiệt

độ chuyển pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn

Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi

bằng không được gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là ∆T C) Ví dụ

độ rộng chuyển pha của Hg là ∆T C = 5.10-2K Độ rộng chuyển pha ∆T C phụ thuộc vào bản chất của từng vật liệu siêu dẫn

Hình 1.3 Đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ của Hg

1.2.2 Từ trường tới hạn

Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dần từ trường đến một

giá trị H c xác định có thể làm mất trạng thái siêu dẫn Nghĩa là, dưới tác dụng của từ trường đã làm cho trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường Giá trị xác định của từ trường được gọi là từ trường tới hạn hoặc từ trường tới

Hình 1.4 (a), (b) Đồ thị từ trường tới hạn phụ thuộc nhiệt độ, và (c), (d) độ từ

hóa phụ thuộc từ trường ngoài của chất siêu dẫn loại I và loại II

Đường cong H c phụ thuộc T được gọi là đường cong ngưỡng Đường

này chính là ranh giới phân chia giữa trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường Bên trong đường cong ngưỡng thuộc trạng thái siêu dẫn và bên ngoài đường cong ngưỡng là trạng thái thường

Dựa vào H c người ta chia vật liệu siêu dẫn thành hai loại: loại I, loại II

 Siêu dẫn loại I thường là các kim loại sạch Khi H < H c vật liệu là vật liệu

siêu dẫn Khi H > H c toàn phần từ trường thấm vào vật liệu, tính siêu dẫn bị phá vỡ hoàn toàn

 Siêu dẫn loại II thường là hợp chất Ở đây, ngoài từ trường H c còn xuất

hiện từ trường tới hạn H c1 (tới hạn thấp) và từ trường tới hạn H c2 (tới hạn cao)

với giá trị H c1 < H c < H c2

H c1 được gọi là từ trường tới hạn thấp và H c2 gọi là từ trường tới hạn cao của siêu dẫn loại II Như vậy trong siêu dẫn loại II còn tồn tại đến khi

- Vùng 3: Từ trường có giá trị H > H c2 vật liệu ở trạng thái thường mất

đi tính siêu dẫn Từ trường thấm toàn phần vào vật liệu, vật liệu trở thành trạng thái thường

1.2.3 Mật độ dòng tới hạn

Dòng điện cực đại mà vật liệu có thể tải trong trạng thái siêu dẫn được gọi là dòng tới hạn Nói cách khác dòng tới hạn trong trạng thái siêu dẫn là dòng điện lớn nhất khi điện trở của chất siêu dẫn được xem như bằng không

Dòng tới hạn được ký hiệu là I c

Năm 1913, Kamerlingh Onnes lần đầu tiên đã phát hiện ra rằng: Nếu

trong dây siêu dẫn có một dòng I lớn hơn dòng tới hạn I c chạy qua thì trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ Đó là hiệu ứng dòng tới hạn

Năm 1916, Silsbee đã làm sáng tỏ hiện tượng này Ông cho rằng vai trò quyết định để đưa vật liệu từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường

trong hiệu ứng dòng tới hạn không phải do bản thân dòng lớn I gây ra mà chính là từ trường do dòng I sinh ra trong dây dẫn đã phá vỡ trạng thái siêu

dẫn Điều này có bản chất giống như hiệu ứng Meissner

Thực nghiệm cho thấy rằng, nếu dây siêu dẫn tròn có đường kính a,

dòng trong dây siêu dẫn là I > I c thì mối quan hệ giữa từ trường tới hạn và các

đại lượng I và a sẽ là: H c =

Công thức này được gọi là công thức Silsbee Công thức này chỉ đúng cho một số chất siêu dẫn nhất định, chủ yếu là các chất siêu dẫn đơn kim loại (còn gọi là chất siêu dẫn lý tưởng) Các chất siêu dẫn là hợp chất, hợp kim hoặc chất siêu dẫn có tạp chất đều không thỏa mãn hệ thức Silsbee (còn gọi là các chất siêu dẫn không lý tưởng)

Ngoài khái niệm dòng tới hạn Ic thông thường, người ta còn dùng

khái niệm mật độ dòng tới hạn J c để thay khái niệm dòng tới hạn Đó là giá

trị dòng tới hạn I c trên một đơn vị diện tích bề mặt vật mẫu Đơn vị thường dùng cho đại lượng này là A/cm2

, giá trị J c phụ thuộc rất mạnh vào từ trường và đường kính của dây siêu dẫn Thực nghiệm cho thấy rằng dòng

tới hạn có liên quan đến độ lớn của từ trường tới hạn H c Các dòng trong chất siêu dẫn đều chạy trên bề mặt bên trong đoạn đường thấm sâu, mật độ dòng giảm nhanh từ một

1.2.4 Trạng thái hỗn hợp và tâm xoáy từ

Trong trạng thái hỗn hợp từ trường ngoài thấm vào từng phần dưới dạng tâm xoáy từ Mỗi một tâm xoáy từ mang một từ trường được đặc trưng bởi một lượng tử tử thông ∅0=2,07.10-15T Ta có thể hình dung mỗi tâm xoáy

từ như ống hình trụ Với bán kính được gọi là độ dài kết hợp ξ Độ dài kết hợp theo nhiệt độ theo công thức

ξ = ξ(0). (1.2)

Với ξ(0) độ dài kết hợp ở nhiệt độ tới hạn T C

Khi đặt dòng diện vào dưới tác dụng của lực Lorenxo các xoáy từ chuyển động hỗn loạn làm suy yếu tính siêu dẫn của vật liệu Khi dòng điện càng lớn thì tâm xoáy từ càng chuyển động mạnh mà mục đích của chúng ta chế tạo các vật liệu siêu dẫn truyền tải được dòng điện lớn Vì vậy ta phải làm thế nào để các tâm xoáy từ không chuyển động nữa dưới tác dụng của lực

Lorenxo Lúc đó ta cần một lực hãm có độ lớn bằng độ lớn lực Lorenxo để vật liệu giữ được tính siêu dẫn

Lực hãm tính theo công thức trên một đơn vị chiều dài của tâm xoáy từ

Lực Lorenxo tính theo công thức

ext × (1.4)

Khi ƒ P > ƒ L thì vật liệu duy trì được tính siêu dẫn

1.3 Cấu trúc tinh thể của vật liệu siêu dẫn YBa 2 Cu 3 O 7-

Vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7- là vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được

tìm ra đầu tiên với T C = 90K với hợp thức cation là 1Y:2Ba:3Cu và hợp thức danh định là YBa2Cu3O7- (gọi tắt là siêu dẫn 123) Cấu trúc ô cơ bản được xác định bằng phép đo nhiễu xạ điện tử và nhiễu xạ Rơnghen Cấu trúc này liên quan đến cấu trúc Perovskite lập phương có trục c lớn gấp ba lần hai trục

a và b Trong đó a = 3,82030A0

, b = 3,88548A0, c = 11,68349A0[2]

Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể của một ô mạng YBCO

Mạng tinh thể gồm hai lớp perovskite cách nhau bởi chuỗi CuO vì vậy người ta gọi là perovskite kép.Trong một ô cơ bản của một tinh thể có cao nhất là 8 ion ôxy nếu tất cả các ion Cu đều có hóa trị 3+ hoặc 6,5+ và 5 ion ôxy nếu ion Cu tương ứng với hóa trị 2+ và 1+ Như vậy, cấu trúc (123) thiếu ôxy liên quan đến cấu trúc Perovskite lí tưởng Nghiên cứu nhiễu xạ Rơnghen từ các đơn tinh thể và đa tinh thể thấy rằng chỉ có 8 ôxy bao quanh ion Y chứ không phải 12 như nó phải có trong cấu trúc Peroveskite lí tưởng Sự thiếu ôxy cũng phát hiện trên mặt chứa Cu giữa các ion Ba Các nghiên cứu về hằng số mạng cho thấy cấu trúc tinh thể của siêu dẫn (123) là dạng trực thoi với kích thước trục b lớn hơn trục a Tính chất siêu dẫn của vật liệu đạt được hay không là nhờ vào nồng độ ôxy, khi nồng độ ôxy lớn hơn 6,4 vật liệu là chất siêu dẫn còn nhỏ hơn 6,4 là chất cách điện

1.4 Mục đích nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

Ngày nay hầu hết các dây cáp điện đều có lõi được làm bằng đồng Ta

đã biết là điện trở của đồng tương đối lớn nên khi truyền tải điện năng đi xa sẽ gây ra hao phí lớn Chính vì vậy mà các nhà khoa học đang tìm kiếm một loại

cáp điện có thể thay thế được đồng Và điều quan trọng là mật độ J c của loại vật liệu thay thế đó cần so sánh được với đồng Đây chính là lí do tại sao chúng ta cần đến HTS

Trong khóa luận của mình chúng tôi sử dụng vật liệu siêu dẫn YBCO, HTS đầu tiên có nhiệt độ tới hạn trên 77K Màng mỏng YBCO được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng laze xung (PLD)